理研ら,単一分子の精密ナノ分光法を確立

理化学研究所(理研)と大阪府立大学は,ナノメートルサイズの領域に局在する光を用いることで,原子分解能を持つ顕微鏡で観察しているナノ物質の性質を直接測る精密ナノ分光手法を確立した(ニュースリリース)。

これまで,精密な分光計測には主にレーザー光が用いられてきたが,空間分解能が数百nmと不十分だった。一方で,原子分解能で物質を観察できる顕微鏡では,精密な分光法が開発されておらず,顕微鏡で見ているナノ物質の性質を正確に測ることは難しかった。

今回,研究グループは,原子分解能を持つ走査トンネル顕微鏡(STM)と狭線幅の波長可変レーザーを組み合わせ,マイクロ電子ボルトという高いエネルギー分解能と,nmという高い空間分解能を併せ持つ精密ナノ分光法を開発した。

独自に開発した光STM装置を用いて,単一分子のフォトルミネッセンス(PL)分光測定を行なった。先端が鋭く尖った金でできた STM 探針と金属基板間のnmサイズの隙間にレーザー光を照射すると,局在する近接場光を誘起することができる。

ここで生じる近接場光のエネルギー(振動数)は,外部から照射するレーザー光のエネルギー(振動数)で決まるため,レーザー光のエネルギーを変えることで外部から精密に制御できる。

近接場光を光STMで観察している単一のフタロシアニン(H2Pc)の分子に近づけ,照射レーザー光のエネルギーを変化させながら分子発光の強度を測定することによって,単一分子の個々の励起状態のエネルギー値やピークの幅をマイクロeVレベルの高いエネルギー分解能で測ることができた。

さらにこの手法を用いて,化学種の同定,ナノ空間で生じるシュタルク効果の発見とその機構解明にも成功。今回の実験のような金属ナノギャップにおいては静電場が空間的に非一様になり,反転対称性を持つ分子であっても線形シュタルク効果を生じることが明らかになった。

この結果は,分子間に働く双極子相互作用の強さや共鳴エネルギー移動の速度などを制御できる可能性を示すもの。また,有機発光素子などエネルギー変換デバイスの内部でもこのような従来想定されていなかった現象が生じており,その特性に影響を与えている可能性もあるという。

研究グループは,これらを理解したうえで制御できれば,有機デバイスの特性制御や高機能化につながるかもしれないとしている。

その他関連ニュース

  • 東大,超短パルスレーザーで一価イオンを分光計測 2021年09月16日
  • 東大ら,同位体観測で天気予測の精度を向上 2021年09月15日
  • 東大ら,ラビ振動分光でミュオニウムを精密測定 2021年08月17日
  • 東大ら,ナノ構造で高感度にキラル分子を構造解析 2021年05月25日
  • 京大,量子もつれ光による赤外分光法を実証 2021年03月09日
  • 理研,水表面の10兆分の1秒の界面化学反応を観測 2021年02月09日
  • 量研ら,「歩き回る水素」をレーザーで可視化 2020年11月27日
  • トプコンテクノ,2D分光放射計を発売 2020年10月08日